Електричний струм та закон Ома

Що таке електричний струм?

В металевих провідниках атоми формують упорядковану кристалічну структуру. У вузлах цієї структури розташовані позитивно заряджені іони, а між ними вільно переміщуються електрони. За відсутності зовнішнього електричного поля рух електронів є хаотичним і нагадує рух молекул газу.

Коли до провідника прикладається зовнішнє електричне поле, до хаотичного руху електронів додається спрямований рух проти напрямку поля (електрони починають рухатись в напрямку протилежному напрямку вектора напруженості електричного поля, бо саме в цьому напрямку вони притягуються електричним полем; це можна порівняти із притяганням негативного заряду до позитивного заряду, де на негативний заряд діє сила протилежна напрямку напруженості електричного поля). Саме цей упорядкований рух і становить суть електричного струму.

Електричний струм – це напрямлений (впорядкований) рух електрично заряджених частинок.

Важливо зазначити, що носіями електричного струму можуть бути різні заряджені частинки:

• У металах — це електрони

• В електролітах — позитивні та негативні іони

• В газах — електрони, позитивні й негативні іони

• У напівпровідниках — електрони та "дірки" (відсутність електрона в атомі)

Позитивні іони рухаються у напрямку напруженості зовнішнього електричного поля, а негативні – у протилежному напрямку.

Для виникнення та підтримки електричного струму необхідно забезпечити дві ключові умови:

1. Наявність вільних заряджених частинок, які можуть переміщуватися під впливом електричного поля

2. Створення та підтримка електричного поля, яке надає зарядженим частинкам спрямованого руху

Для створення електричного поля використовуються різноманітні джерела струму — пристрої, які перетворюють інші види енергії в електричну.

Принцип роботи будь-якого джерела струму полягає в розділенні різнойменних зарядів, внаслідок чого один полюс набуває позитивного заряду, а інший — негативного. Ця різниця потенціалів створює електричне поле, яке змушує заряджені частинки рухатися.

Серед найпоширеніших джерел струму:

• Гальванічні елементи та акумулятори — перетворюють хімічну енергію на електричну

• Електромеханічні генератори — перетворюють механічну енергію на електричну

• Сонячні батареї — перетворюють енергію сонячного випромінювання на електричну

• Термоелементи — перетворюють теплову енергію на електричну

• П'єзоелементи — перетворюють енергію механічної деформації на електричну

Що таке електричне коло?

Електричне коло - це сукупність пристроїв, що забезпечують шлях для проходження електричного струму. Найпростіше електричне коло складається з:

• Джерела струму

• Провідників

• Споживача електричної енергії

• Комутаційного пристрою (вимикача)

Схематичне зображення електричного кола з використанням стандартних умовних позначень називається електричною схемою (електричне коло). Ці схеми допомагають зрозуміти принцип роботи електричних пристроїв та систем.

Важливі умовні домовленості:

• За усталеною конвенцією, напрямком електричного струму вважається напрямок руху позитивно заряджених частинок, тобто від позитивного полюса джерела до негативного (це склалось історично, тут немає якоїсь особливої логіки). Варто зазначити, що в металевих провідниках реально рухаються негативно заряджені електрони в протилежному напрямку.

• В умовному позначенні гальванічного елемента довга риска позначає позитивний полюс джерела, а коротка – негативний.

Рис. 1. Елементи електричної схеми (електричного кола)

Закон Ома, сила струму, напруга, опір

Для кількісного опису струму в провіднику застосовують наступні фізичні величини:

• сила струму \(I\) (характеризує власне електричний струм)

• напруга \(U\) (характеризує поле, що створює струм)

• опір \(R\) (характеризує сам провідник та елементи електричної схеми)

Сила струму \((I)\) — фізична величина, що характеризує інтенсивність руху заряджених частинок і дорівнює електричному заряду, який проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу:

\[I = \frac{q}{t}\]

де \(q\) — електричний заряд, \(t\) — час.

Одиниця сили струму в Міжнародній системі одиниць СІ – ампер (A).

Для вимірювання сили струму використовують прилад - амперметр, який вмикають у коло послідовно з ділянкою, де вимірюють струм.

Закон взаємодії струмів: два паралельні провідники однакової довжини притягуються, якщо струми в них течуть в одному напрямку, і відштовхуються – якщо в протилежних (взаємодія відбувається через магнітне поле, що створюється електричним струмом; про магнітне поле ми поговоримо згодом).

1 ампер дорівнює силі такого постійного струму, який, пропущений по двох прямих паралельних нескінченних провідниках із незначним поперечним перерізом, що поміщені на відстані 1 м один від одного у вакуумі, створював би на кожній ділянці провідників довжиною 1 м силу взаємодії \(2 \cdot 10^{-7}\) Н.

Електрична напруга \((U)\) — фізична величина, що характеризує роботу електричного поля \(A\) з переміщення заряду \(q\) по ділянці кола:

\[U = \frac{A}{q}\]

Одиниця напруги в Міжнародній системі одиниць СІ - вольт (В або V англійською).

Напругу вимірюють приладом — вольтметром, який підключають паралельно до ділянки, на якій вимірюють напругу.

1 В – це така напруга на ділянці кола, за якої електричне поле виконує роботу 1 Дж, переміщуючи по цій ділянці заряд 1 Кл:

\[1 \text{ В} = 1 \frac{\text{Дж}}{\text{Кл}}\]

Електричний опір \(R\) – фізична величина, яка характеризує властивість провідника протидіяти електричному струму.

Одиниця опору в Міжнародній системі одиниць СІ - ом (Ом).

1 Ом – це опір такого провідника, в якому іде струм силою 1 А за напруги на кінцях провідника 1 В:

\[1 \text{Ом} = 1 \frac{\text{В}}{\text{А}}\]

Опір провідника, який має незмінний поперечний переріз, дорівнює:

\[R = \rho \frac{l}{S}\]

де \(\rho\) – питомий опір речовини, з якої виготовлений провідник, \(l\) – довжина провідника, \(S\) – площа поперечного перерізу провідника.

Питомий опір речовини – фізична величина, яка характеризує електричні властивості речовини та чисельно дорівнює опору виготовленого з неї провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м².

Одиниця питомого опору в Міжнародній системі одиниць СІ – ом-метр (\(\text{Ом} \cdot \text{м}\)).

Питомий опір істотно залежить від температури.

Закон Ома для ділянки кола: Експериментально встановлено, що сила струму в провіднику прямо пропорційна прикладеній напрузі та обернено пропорційна опору провідника:

\[I = \frac{U}{R}\]